Assessment of Spatio-temporal urban heat island dynamics in Bolgatanga municipality, Ghana using multitemporal Landsat imagery

Resumen Técnico: Evaluación de la Dinámica Espaciotemporal de la Isla de Calor Urbana en el Municipio de Bolgatanga, Ghana

Planteamiento del Problema
Los efectos de la Isla de Calor Urbana (ICU), caracterizados por temperaturas elevadas en áreas desarrolladas en relación con las zonas rurales circundantes, representan un indicador crítico del cambio climático inducido por el hombre. Si bien la dinámica de la ICU ha sido estudiada extensamente en megaciudades globales y ciudades del sur de Ghana como Accra y Kumasi, persiste una brecha de conocimiento significativa respecto a los centros urbanos semiáridos del norte de Ghana. A pesar de las proyecciones que indican un calentamiento acelerado en esta región (de 1.5 °C a 3 °C durante los próximos cincuenta años), la investigación empírica sobre la evolución espaciotemporal de las temperaturas de la superficie terrestre (LST, por sus siglas en inglés) en municipios como Bolgatanga es escasa. Esta falta de datos obstaculiza el desarrollo de estrategias de planificación urbana resilientes al clima en áreas que se urbanizan rápidamente donde la cubierta vegetal está disminuyendo y el estrés térmico está aumentando.

Metodología
El estudio emplea un enfoque de teledetección utilizando imágenes de Landsat multitemporales y conjuntos de datos meteorológicos para analizar la dinámica de la ICU en el municipio de Bolgatanga a través de tres puntos temporales distintos: 2007, 2014 y 2021.

• Fuentes de Datos: La investigación utiliza datos de Landsat 5 Thematic Mapper (TM) y Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) (Ruta 194, Fila 053). Se recuperaron datos meteorológicos auxiliares, incluyendo temperatura del aire, velocidad del viento y humedad relativa, del conjunto de datos NASA POWER para apoyar las correcciones atmosféricas.
• Mapeo de Uso y Cobertura del Suelo (LULC): Se aplicó una clasificación supervisada utilizando un algoritmo de Máquina de Vectores de Soporte (SVM) para delinear cuatro clases principales de cobertura terrestre: vegetación, suelo desnudo, agua y áreas edificadas.
• Obtención de la LST: La Temperatura de la Superficie Terrestre se derivó mediante el Algoritmo de Ventana Única (MWA). Este método integra la transmitancia atmosférica, la emisividad de la superficie y la temperatura ambiente para corregir los efectos atmosféricos sin depender fuertemente de datos de verdad de campo.
  • Para Landsat 8, el proceso consistió en convertir los Números Digitales (DN) a radiancia espectral, calcular la Temperatura de Brillo (BT), derivar el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) para estimar la fracción de vegetación y la emisividad, y aplicar fórmulas de transferencia radiativa.
  • Para Landsat 5, se aplicaron correcciones de radiancia similares, con coeficientes térmicos específicos (K1=607, K2=1260.56) y una estimación del contenido de vapor atmosférico basada en la temperatura del aire superficial y la humedad relativa.
• Índices y Análisis: El estudio calculó la Intensidad de la Isla de Calor Urbana (UHII) para cuantificar los gradientes de temperatura. Además, se utilizaron el Índice de Construcción de Diferencia Normalizada (NDBI) y el Índice de Agua de Diferencia Normalizada Modificado (MNDWI) para correlacionar los tipos de cobertura terrestre con las firmas térmicas. Se realizó un análisis de perfilado de pila para comparar los gradientes térmicos a través de las zonas urbanas, periurbanas y rurales.

Resultos Clave
El análisis revela una intensificación progresiva de los efectos de la ICU en Bolgatanga durante el periodo de estudio de 14 años, impulsada principalmente por cambios en el uso del suelo.

• Dinámica de la Cobertura del Suelo: Las áreas edificadas se expandieron un 43%, pasando de 96.36 km² en 2007 a 137.64 km² en 2021. Por el contrario, la cubierta vegetal disminuyó drásticamente un 56% (de 107.25 km² a 46.71 km²). El suelo desnudo aumentó ligeramente, mientras que los cuerpos de agua mostraron una reducción marginal.
• Tendencias de Temperatura: La LST promedio aumentó de 27.94 °C en 2007 a un pico de 35.39 °C en 2014, estabilizándose en 34.81 °C en 2021. Más críticamente, la LST máxima aumentó de forma constante, alcanzando los 42.46 °C en 2021, lo que representa un aumento del 26% respecto a los niveles de 2007.
• Distribución Espacial: Las zonas de alta temperatura se expandieron desde el núcleo urbano hacia las áreas periurbanas recientemente desarrolladas (por ejemplo, Sumbrungu). Las áreas edificadas y de suelo desnudo exhibieron consistentemente firmas térmicas significativamente más altas en comparación con la vegetación y el agua.
• Correlaciones: Se observaron fuertes relaciones estadísticas entre la cobertura del suelo y la temperatura. Hubo una fuerte correlación inversa entre la LST y el NDVI (r² = 0.79–0.90), confirmando el efecto de enfriamiento de la vegetación. Por el contrario, existió una correlación positiva significativa entre la LST y el NDBI (r² = 0.51–0.83), lo que indica que las superficies impermeables impulsan la intensificación térmica.
• Intensidad de la UHII: El Índice de Intensidad de la UHI alcanzó su punto máximo en 2.76 °C en 2014 y se mantuvo elevado en 2.69 °C en 2021, con el estrés térmico afectando cada vez más a las franjas rurales y periurbanas que anteriormente eran térmicamente neutras.

Significancia y Contribuciones
El artículo se posiciona como el primer análisis espacio-temporal integral de la dinámica de la ICU en el municipio de Bolgatanga, abordando una brecha geográfica crítica en la literatura existente, que se ha centrado predominantemente en las ciudades del sur de Ghana.

• Marco Metodológico: El estudio establece un marco replicable para cuantificar las anomalías térmicas urbanas en entornos semiáridos con escasez de datos, integrando imágenes de Landsat multitemporales con conjuntos de datos meteorológicos y el Algoritmo de Ventana Única.
• Relevancia Política: Los hallazgos subrayan la necesidad urgente de una planificación urbana resiliente al clima en el norte de Ghana. La investigación demuestra que la rápida urbanización y la eliminación de los amortiguadores de vegetación están directamente vinculadas con el estrés térmico extremo, lo que plantea riesgos para la salud pública y la sostenibilidad ambiental.
• Perspectivas Estratégicas: Al identificar el papel específico de las superficies no permeables y la pérdida de la cubierta vegetal en la amplificación de las anomalías térmicas, el estudio proporciona evidencia accionable para que los gobiernos locales integren las métricas de la ICU en las políticas de zonificación, promuevan el verdor urbano y adopten diseños de infraestructura resilientes al calor.

Los autores concluyen que, si bien el estudio ofrece valiosos conocimientos espaciales, las investigaciones futuras deberían apuntar a una mayor resolución temporal (por ejemplo, MODIS, Sentinel-3) y a la aplicación de modelos de aprendizaje automático para mejorar las capacidades predictivas de los sistemas de alerta temprana.